제90차종합학술대회프로그램및초록 광체적흡광도 1) 광혈류측정계에서사용하는물리 (Physics in photoplethysmograph) 209 부산대의공학과노정훈 2) 임상적용을위한광체적흡광도의연구동향 211 서울대치대신터전
광혈류측정계에서사용하는물리 (Physics in photoplethysmograph) 부산대학교의과전문대학원의공학교실 노정훈 Photoplethysmogrphy 란? 체적의변동을측정하는방법 광혈류측정계라고부르는 photoplethysmograph는그리스어로빛을뜻하는 photo와증가함을뜻하는 plethysmos, 그리고기록한다는뜻의 graphos가결합한것으로서, 빛을이용하여어떤물체의부피의변화를기록하는기계를말한다. 임상적으로는혈류량의측정에많이사용되어광전용적맥파계, 혹은광혈류량계등으로이해되기도하지만광용적계라고이해하는것이타당하다. 광용적계는 1937년경도입된이후로백박수, 말단부동맥압평가, 산소포화도측정, 피부이식후의미세혈류순환, 약물섭취, 화상, 혈관이식등에있어혈류평가에사용되고있다. 일반적으로체적변동기록기 (plethysmograph) 는심장, 폐, 방광이나특히혈관과같은인체의장기나조직이어떤생리적인원인으로부피가바뀌게되면자연스럽게모양이나형태가달라지게되는데, 이러한형태의변화를측정하여용적의변화를추정하는기구이다. 이기구를사용하여얻은체적변동기록도 (plethysmogram) 을분석하여역으로임상적인의의를추정하는작업이체적변동기록법 (plethysmography, PPG) 이다. 역사적으로는이미 1677년에영국의해부학자인 Francis Glisson이근육수축시의용적변화를측정하는장치를고안하여, 당시제안되었던공기나액체가근육에들어가서부풀어오른다는소위 balloonist 가설이옳지않음을보이기도했다. 당시 Glisson이사용한방법은물속에서근육을수축하고그결과로수위의변화를관찰하는직접적인방법이었다. 폐용적의측정이비슷한방법을사용한다. 오늘날많이사용하는방법은부피의변화에따르는길이의변화로서추정하는방법을사용한다. 예를들어주사기와같은경우부피의변화는피스톤이움직이는길이에비례한다. 즉길이가 1% 변화하면부피도 1% 변화하는것이다. 그러나, 혈관의경우직경이 1% 변화하면부피는대략 2% 변화한다. 마찬가지로방광의직경이 1% 늘어난다면부피는 3% 정도변화하는것을간단하게모델링할수있다. 폐의용적을직접측정하지않더라도가슴둘레의길이를측정함으로써용적을알수있다. 길이의변화는전기적인저항의변화로쉽게측정이된다. 209
Photoplethysmogrph의물리빛을이용하여용적을측정하는 PPG는단순히용적계라고보기는어렵지만, 대표적인원리는, 빛이물체를투과하면흡수도와두께의지수함수형태로감소된다는 Beer-Lambert 법칙으로설명된다. 즉, 투과광의변화를측정하면곧빛이통과한길이의변화를알수있다는것이다. PPG는물질의흡수도를알지못하는경우에도, 투과광의변화는곧부피의변화에비례하는신호가된다. 이를이용하면간단하게는심박의상태를파악할수있고, 펄스산소포화도측정기 (pulse oximeter) 와같이여러파장의빛을사용하면, 변화한부피내에존재하는헤모글로빈이나산화헤모글로빈과같은여러가지성분의조성을알수있다. 이방법은특히비침습적이며, 일반적인경우에는아무런조정작업없이정확한측정이가능하기때문에널리편리하게사용된다. PPG나 pulse oximeter를이해하기위한세부적인부분을실제강연에서구체적으로다룰것이다. 빛을측정하는센서인포토다이오드, 다양한파장의빛을발생하는발광다이오드와발광스펙트럼, 인체여러조직, 특히다양한기체와결합한혈액의흡수스펙트럼에연관된재미있는물리적인의미를살펴본다음, 산소포화도나기타성분비를추정하는이론을도식적으로살펴본다. 참고문헌 1. Hertzman AB, Spielman C. Observations on the finger volume pulse recorded photoelectrically. Am J Physiol 1937; 119: 334-5. 2. Trafford JD, Lafferty K. What does photoplethysmography measure? Medical & Biological Engineering & Computing 1984; 22: 479-80. 210
임상적용을위한광체적흡광도의연구동향 서울대학교치의학대학원소아치과학교실 신터전 Plethysmograph는신체내용적 (volume) 의변화를기록하고측정하는장비로정의된다. Hertzman에의해알려지게된 plethysmopgraph는조직내에미세혈관의상대적인용적의변화를측정하는데있어매우간단하고효과적인방법으로알려져있다 [1]. 심장의수축과이완주기에따라조직내에분포하는세동맥과모세혈관내혈액의용적이미세하게변하게된다. Photophlethysmogram (PPG) 를이용하여 Photosensor를부착하고조직을통해투과되는빛의감쇄정도를감지하는 photodetector를이용하면혈액내의빛의흡광도의차이에따른신호를얻을수있다. PPG를통해얻게되는신호는크게직류신호 (DC component) 와교류신호 (AC component) 로나눌수있다. 직류신호는비박동성의혈액의용적및혈관을둘러싸고있는조직에서얻어지는신호이며상대적으로천천히변하는신호를의미한다. 반면교류신호는심장의수축에의해유발되는혈액의박동에의해발생되는신호이다. 임상에서는비침습적으로산소포화도를측정하는데 PPG를널리사용하고있다. 맥박산소측정기 (Pulse oximetry) 에서는두개이상의 wavelength를사용하는데, 940 nm의 infrared signal에비해 660 nm의 red signal은동맥혈산소포화도의변화에민감하게반응하는것으로알려져있다. 각파장의흡광도의차이를이용하면비침습적으로동맥혈산소포화도를측정할수있다. 호흡기능의감시장치로서맥박산소측정기는임상에 1980년대부터도입되기시작하였으며, 현재는마취상태에서환자의호흡기능, 특히산소화 (oxygenation) 여부를확인하는환자감시장치로서널리사용되고있다. PPG의임상적적용 1. PPG의임상적적용현황현재시중에서나와있는거의대부분의상용화된맥박산소측정기의경우 PPG를통해서추정된산소포화도와심박수가모니터에표시된다. 임상에서산소포화도가널리환자감시에이용되며, 그임상적중요성에대해서는이견이거의없을것으로생각된다. 하지만임상에서산소포화도의중요성이부각이되는만큼 PPG를통해얻게되는 waveform에 대한관심은그만큼멀어지게되었다. 하지만 PPG는용적변화를측정할수있는간단하면서도효과적인방법이므로 PPG 를통해얻어지는 waveform을분석하게되면심혈관계기능에대한전반적인환자의상태를쉽게확인할수있다. 2. PPG 파형을위한연구진행시유의해야할사항다만 PPG를통해얻어지는 waveform을연구에이용하기위해서는현재시판되고있는산소포화도장비의특성을이해할필요가있다. PPG의직류신호는 auto-centering routine에의해제거되고교류신호만화면에표시된다. 시중에시판되고있는맥박산소측정기는 auto-centering algorithm을반복적으로이용하여화면의정중앙에 waveform이표시되도록한다. 또한시중에시판되는있는모니터장비에는 auto-gain function이내장되어있어표시되는파형의크기를최대화할수있으며, 몇몇모니터업체에서는 auto-gain function을사용하지않도록하는 option을포함하고있다. PPG 파형을분석하기위해서, 특히 PPG waveform의 amplitude를이용한분석을시행하기위해서는 auto-gain function을끌수있는 option이포함된장비를사용하는것이중요하다. 또한환자간에파형의진폭의크기비교가가능하도록 PPG waveform의 amplitude를표준화할수있는방법이알려져있지않다. 파형의크기를계량화하는것이불가능하며따라서시간의변화에따른파형의진폭을이용하여분석을시행하여야한다. 파형의진폭에대한 calibration 및표준화작업은매우중요한분야이며앞으로많은연구가이와관련하여진행될것으로예상된다. 3. PPG waveform analysis 가장유용하게임상에서사용할수있는방법은 PPG waveform의 amplitude를분석하는방법이다. 다만 amplitude 의변화를확인하기위해서는모니터의 auto-gain function을분석전에꺼야한다. 심박출량이크게변하는상황에서도 PPG 파형의 amplitude는혈관확장성 (vascular distensibility) 과비례하는것으로알려져있다 [2]. 예컨대교감신경계의항진으로 vascular compliance가감소하면 PPG waveform의 amplitude는감소하게된다. 반면혈관이확장되어 vascular com- 211
Fig. 1. Finger PPG waveform parameters; Height, Width 50, Area, Max and Min slopes [3] (ref 3). pliance가증가하면 PPG waveform의 amplitude는증가하게된다. 하지에음압을가해저혈량증을인위적으로유도한상황에서 PPG 파형의 amplitude가감소하는것으로알려져있다 [3]. 또한 PPG waveform 에서얻을수있는파형정보중 peak area, width50, max slope 역시저혈량증으로인해보상적으로교감신경이활성화되어있는상황에서감소한다 [3] (Fig. 1). 찬물에잠시 (30초) 손을담그는 cold immersion test를시행하는경우 PPG 파형의 amplitude가감소한다 [4]. 다만 PPG 측정위치에따라서반응의정도가달라질수는있다. finger 에서측정된 PPG 파형을통해구해진 waveform 변수가 earlobe에서구해진값들에비해교감신경계활성의정도를더예민하게나타낸다 [3,4]. 이는 alpha-adrenergic receptor가 earlobe에비하여 finger에더촘촘하게분포되어있기때문으로생각된다. PPG waveform을통해구해지는변수중 width 역시교감신경의활성의정도를반영하는지표로사용할수있다. Coronary artery bypass graft (CABG) 수술을받는환자에서 pulmonary artery catheter 를통해구해진말초혈관저항과 finger 에서측정한 PPG의 width 역시강한상관관계를나타낸다 [5]. 또한 width는일회박출량의변화를유의하게반영할수있다 [6]. PPG waveform의 amplitude의 baseline에대한값을측정하면이를교감신경계활성화정도를측정하는하나의지표로사용할수있다 [7,8]. 이와같은특성을이용하여 MAC-BAR ( 피부절개를가했을때 50% 의환자에서교감신경계반응을감소시키는흡입마취제농도 ) 의지표로사용하는것이가능하다 [9]. 마취상태에서교감신경계활성도가유지되는지의여부는심혈관계기능이저하되어있는환자에서임상적으로마취심도를유지하는데중요하다. 교감신경활성도의균형이갑작스럽게무너지지않게하는것이심혈관계질환이있는환자의마취시매우중요하기때문이다. 4. Pulse analysis PPG는박동성혈류에매우민감하다. PPG의이러한특성을이용하여수축기혈압을측정하고자하는시도가있어 왔다 [10,11]. 맥박이관찰되는압력은수축기혈압과일치하는것으로알려져있다. 잡음이매우심하거나청진기를이용한맥박청진이어려운신생아환자의경우혈압을측정하는데매우유용하게사용할수있다. 또한조직내관류를측정하는장비로써 PPG를이용할수있다. PPG의장점은연속적이고비침습적으로말초조직의혈류를관찰할수있다는점이다. 조직의혈류를측정하기위해 transmission PPG와 reflective PPG를이용할수있다. 전자는관측하고자하는조직에빛을 emission한후에투과되는빛의흡광도를이용하여조직의관류정도를관측한다 ( 예, fingertip, earlobe). 반면 reflective PPG의경우조직에서 back-scattering되는빛의흡광도를이용한다 ( 예, forehead). Plethysmographic pulse wave amplitude (PPWA) 는광원이조직을통과할때조직과비박동성혈류 ( 예, 정맥혈 ) 에흡수된후 detector에최대한투과되는빛의최대강도와박동성혈류에의해서흡수된후투과되는빛의최대강도와최소강도의차이의비율을의미한다. 즉, 이는 PPG waveform의직류신호와교류신호의비율을퍼센트로전환한값으로조직내관류의정도를확인할수있는임상적인지표로사용이가능하다고알려져있다 [12]. PPWA는 perfusion index (PI) 라는지표로혼용되어사용되고있다. PI를이용하여흡입마취하경막외로 epinephrine을포함한 test dose를투여시혈관내약물의흡수를확인할수있는지표로도사용할수있다 [12,13]. Flap surgery 후이식된부위의혈류량을측정하는경우에도 PPG를이용할수있다. 절단된손가락접합술후의혈류량과 [14], free flap에서의관류의정도를확인하기위해 PPG를사용하고자하는연구가진행되고있다 [15]. 치과영역에서도치아조직내치수조직의혈류를확인하여치수생활력을확인하는데 PPG를사용하고있다 [16-18]. 손상된치아가회복되는과정에서치수생활력이복원되는지확인하는데있어전기자극, 냉, 온각을이용한치수생활력검사에비해맥박산소측정기가생활력복원의확인하는데있어더유용한것으로알려져있다 [19]. 212
신터전 : 임상적용을위한광체적흡광도의연구동향 5. Respiratory variability and rate analysis 환기에따라서 PPG의직류및교류신호에 fluctuation이발생할수있다. 심혈관계에미치는호흡기계의영향을 PPG를통해확인하고자하는연구는많이진행되고있다. 양압호흡이 PPG waveform에미치는영향에대해서잘알려져있는데 [20], 환기시 PPG waveform에두가지특징적인효과가나타난다. 가장두드러지게나타나는반응은호흡주기에따른 PPG baseline의이동이다. 이는직류신호가호흡에따라서조절되기때문으로, 호흡주기에따른정맥혈 ( 비박동성 ) volume의변동에의해유발되는것으로생각된다. 호흡주기의변동에따라서교류신호의 amplitude 역시변화할수있다. 이와같은현상은혈액량이감소해있는경우두드러지게나타나는것으로알려져있다 [21]. 특히전신마취시에는양압호흡하에서심장으로정맥환류량이감소하여심박출량의감소를유발할수있다. 혈액량이감소되어있을때양압호흡으로인한심박출량의감소효과는더욱두드러지게나타난다. 결과적으로혈류량이감소되어있는상황에서양압호흡시동맥혈압에미치는효과는증대된다 [22]. 호흡주기에따른 PPG waveform의 amplitude의변화되는정도를정량화하면저혈량증의정도를측정할수있는지표로사용할수있다 [21]. 또한 PPG waveform의호흡에따른변이를지속적으로관찰을하는경우잠복출혈을조기에확인할수있으며더불어저혈량증의조기진단에큰도움이될수있다 [23]. 아직초기단계이긴하지만 PPG waveform을이용하여호흡회수를측정하고자하는연구가진행되고있다 [24-28]. PPG는 fast fourier transform (FFT) 알고리즘을적용하게되면 frequency domain에서분석이가능하다. PPG waveform중교류신호를 FFT를시행하면 frequency에따른 amplitude의형태로변환이가능하다. PPG waveform을 frequency domain 에서호흡에따른 frequency를호흡회수에따른 frequency 범위에서 peak 분석알고리즘을이용하여호흡회수를계산할수있다 [28]. 최근에는소아환자에서 PPG waveform의일차 wavelet transform으로부터 secondary wavelet feature decoupling (SWFD) 방법을적용하여 wavelet transform으로부터호흡과관련된정보를추출이를이용하여호흡수를추정하는연구도진행되고있다 [24]. 하지만 PPG waveform을이용한호흡작용의영향을가장잘확인할수있는부위및호흡의영향을정량화할수있는방법에대해서연구가진행되고있지만, 미진한것이사실이며향후많은임상연구가필요한분야이기도하다 [28,29]. 6. Analysis for fluid responsiveness 목표지향적수술중수액투여방법 (Goal - directed intraoperative fluid administration) 을사용시대수술후사망률이감소하며입원기간이감소하는것으로알려져있다 [30,31]. 이와같은상황에서수액투여량의조절은심박출량, 일회박출량이유지되는정도를목표로이루어지게된다. 최근에호흡주기에따른 pulse amplitude의 variation을이용하여 fluid 투여에따른반응성을역으로확인하고자하는연구가진행되고있다. Plethysmographic waveform amplitude는일회호흡주기중 amplitude의최대값과최소값을합을그차이로나눈값을퍼센트로환산한값인데, 기계환기하에전신마취를시행받는환자에서수액투여의반응성을확인하는데임상적으로유용한지표로사용할수있음이알려져있다 [32]. 최근에 PI를이용하여 pleth variability index (PVI) 를계산하는알고리즘이개발되었다. PVI는 1회호흡주기에따른 PI의최대값과최소값을합을그차이로나눈값을퍼센트로환산한값인데기계환기를시행받는환자에있어수액투여후 cardiac index의증가를보이는수액투여의반응성을보이는환자를예측하는데매우유용하다는것이보고되고있다 [33]. 향후호흡활동으로유발되는 PPG waveform의변화를이용하여다양한지표의개발이가능할것으로예상되며, 전신마취하환자의이상적인수액투여의정도의예측할수있는임상표지자로서사용이확대될것을기대해본다. 결론컴퓨터기술의발전및디지털신호처리기술의발전으로인해 PPG waveform에관한신호분석은큰전환점을맞고있다. 단순히산소포화도, 심박수를측정하는수준을넘어 PPG를이용하여환자의심혈관계기능의분석더불어산소포화도를넘어서는환자의호흡기능을감시하기위한여러가지연구가진행되고있다. PPG가혈액의용적을측정할수있는간단하고효과적인측정방법임을감안해볼때임상적으로 microcirculation에영향을끼칠수있는인자들의심혈관계기능에대한영향을 PPG를이용하여확인할수있다. 또한호흡기능과심장기능이서로밀접하게연결되어있음을감안해볼때심혈관계기능에미치는호흡기능의영향을역으로 PPG를이용하여추정하는것이가능하다. 현재 PPG를표시하고있는대부분의의료장비는신호를가능한한깨끗하게하는알고리즘을내장하고있다. 따라서잡음이많이포함되었다고생각되는많은부분이신호처리과정에서제거되고있다. 하지만이와같은신호처리과정전 PPG를이용하여적절한신호분석과정을거치면임상적으로매우유용한정보를얻을수있다. PPG waveform 신호분석은아직까지많이알려져있지않으며모니터에표시되는과정에서많은신호가제거되고있다. 적절 213
한신호분석기법을이용하여 PPG waveform을분석하면임상의들이환자상태를보다자세히확인하고환자치료에이용할수있는가능성은무궁무진하다고생각된다. 참고문헌 1. Hertzman AB Spielman C. Observations on the finger volume pulse recorded photoelectrically. Am J Physiol 1936; 119: 334-5. 2. Dorlas JC, Nijboer JA. Photo-electric plethysmography as a monitoring device in anaesthesia. Application and interpretation. Br J Anaesth 1985; 57: 524-30. 3. Alian A, Galante N, Stachenfeld N, Silverman D, Shelley K. Impact of central hypovolemia on photoplethysmographic waveform parameters in healthy volunteers. Part 1: time domain Analysis. J Clin Monit Comput 2011; 25: 377-85. 4. Awad AA, Ghobashy MA, Ouda W, Stout RG, Silverman DG, Shelley KH. Different responses of ear and finger pulse oximeter wave form to cold pressor test. Anesth Analg 2001; 92: 1483-6. 5. Awad A, Haddadin A, Tantawy H, Badr T, Stout R, Silverman D, et al. The relationship between the photoplethysmographic waveform and systemic vascular resistance. J Clin Monit Comput 2007; 21: 365-72. 6. 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